直流高压电源作为供电电源和试验电源在实际中得到了广泛的应用，如电机的驱动、直流高压试验系统、静电除尘电源等［1，2］． 传统的直流高压电源由升压变压器、充电电阻、硅堆、滤波电容和负载组成，其工作过程是: 首先利用高压变压器将工频电压升高，然后利用硅堆将交流电压整流成直流电压，并利用滤波电容降低系统的纹波系数．整个系统具有纹波系数大，体积大，质量重等缺点． 目前，随着微电子技术和电力电子技术的迅速发展，该电源正在向着小型化、高 可 靠 性 方 向发展［3，4］．
针对上述情况，为了满足设计的要求，本文采用交流-直流-交流-直流的方法设计了一台输出电压为 20 kV，输出电流为 0． 1 A，纹波系数控制在0． 1% 的恒流恒压直流高压电源，采用 Pspice 软件对主电路参数进行了仿真分析［5］，并完成了对整个电源的制作和测试．
1 主电路设计
由直流高压发生器的电路可知，系统的纹波系数与交流电压的频率成反比，即频率越高，纹波系数越小． 此外，对于升压变压器来说，通过提高交流电压的频率，在相同输入、输出电压的条件下所需线圈匝数就越少，这大大降低了整个系统的质量和体积． 由此可见，通过提高系统交流电压的频率，在相同条件下不仅可以降低系统输出电压的纹波系数，而且还可以使系统的体积和质量大大降低． 因此，本文设计的直流高压发生器也采用该方法，即首先将工频交流电压调制成高频交流电压，然后整流成直流电压，整个电路如图 1 所示．
由图 1 可知，整个直流高压发生器由整流电路、逆变电路、升压变压器和倍压整流电路 4 部分组成． 整个电路的工作过程如下: 首先利用全桥整流电路将 50 Hz 的交流电压整流成直流电压，再利用由 IGBT 组成的全桥逆变电路将直流电压逆变成 20 kHz 的交流方波电压，然后进入升压变压器，将低压的交流电压变为高压交流电压，*后通过倍压电路将交流电压整流成直流电压输出．采用 Pspice 软件对上述电路进行了仿真，仿真结果如图 2 所示．
从图 2 可以看出，本文所设计的直流高压发生器的电路是可行的．
2 倍压电路
根据倍压电路结构的不同，可分为半波倍压电路、全波倍压电路和三倍压电路． 本文采用半波倍压电路来实现直流高压的输出． 由于本文所设计的直流高压电源为高稳定、低纹波系数，这需要对倍压电路的参数进行设计． 半波倍压电路的纹波系数计算公式为:
S = δUUd= n( n + 1) Id4 fCUd= n( n + 1)4 fCＲx( 1)
从式( 1) 可以看出，纹波系数的大小与电源频率、倍压的级数、电容的容量和负载的大小有关． 因此，本文设计的直流高压电源倍压电路如图3 所示．
由图 3 可以看出，整个电路采用的是两级倍压．
采用 Pspice 软件对电路进行了仿真． 其参数如下: 电源电压 U = 5 kV，f = 20 kHz，C = 0． 2 μF，
仿真结果如图 4 所示．
由图4 可以看出，电源的输出电压为 20 kV，电流为0． 1 A，纹波电压约为1 V，可以满足设计要求．
管脚输出的 PWM 波的频率变大; 当 FANKUI2 信号变小，流入芯片的电流变小，电容 C13的放电速度变 慢，此 时 振 荡 周 期 tdchg 变 长，从 OUT1 和
OUT2 管脚输出的 PWM 的频率变小． 从 OUT1 和OUT2 管脚输出的控制信号之间的死区时间由电阻 Ｒ22控制，随着电阻 Ｒ22的增加，死区时间增加．
由 C15控制输出驱动信号的软启动． 由 Ｒ23，Ｒ24，C14构成输出 PWM 的脉宽控制电路，脉宽反馈控制信号 FANKUI1 经放大器与 Ｒ23和 Ｒ24相连．
该电路的脉宽调制过程受控于 FANKUI1 信号的
3 调频调脉宽的电路设计
传统的调节方法采用自耦调压器和可控硅方式，但前者存在质量重、调节精度低的缺点． 后者虽是通过控制导通角来实现输出电压的调节，但该方法在实施的过程中会给系统引入很大的谐波． 本文所设计的直流高压电源采用调频调脉宽的方式来实现输出电压的连续调节，克服了调频的调节速度慢及调脉宽的调节范围小的缺点，使输出电压得到快速稳定． 本调频调脉宽的控制电路如图 5 所示．
该电路的工作过程为: 首先利用供电电源对MC33066 芯片进行供电，使控制芯片开始工作;电阻 Ｒ22和电容 C13构成系统的振荡，以及由死区时间产生的电路，该电路上的电容 C13的放电速度受控于频率反馈信号 FANKUI2 的大小． 当反馈信号变大，流过 C13的电流变大，电容的放电速度变快，此时振 荡 周 期tdchg 变 短，故 从OUT1 和OUT2大小． 当反馈信号 FANKUI1 变大，其通过 Ｒ15 和Ｒ16分压后进入放大器的 12 脚信号也变大，流过Ｒ19的电流变小，此时放大器的输出管脚 14 电平升高，电容 C14的放电速度变小，导致 PWM 波的脉宽 tos增加; 反之，当反馈信号 FANKUI1 变小，其通过 Ｒ15和 Ｒ16分压后进入放大器的 12 脚信号变小，流过 Ｒ19的电流变大，导致放大器的输出管脚 14 电平降低，电容 C14 的放电速度变大，导致PWM 波的脉宽减小，从而实现对 PWM 波输出管脚 OUT1 和 OUT2 的信号的脉宽调节． 由此可见，本电路通过调频调脉宽的方式能够快速实现对输出电压的调节．
4 电源系统的试验及其结果分析
根据上述电路设计，对整个电源系统进行了搭建，并进行了相应的试验，其试验结果见表 1．
由表 1 可知，本文所设计的直流高压电源在输出电压为 20 kV 时，其纹波系数为 0． 05% ，小于 0． 1% ，可以满足设计要求． 为了证实本试验系统是否能够形成恒流，利用大电容对其进行了试验． 试验结果表明，系统在开始状态，未达到恒压状态时，处于恒流状态，以设定的电流对电容进行充电，当充到电压的设定值时，则进入了恒压状态，电流变小，维持电压不变． 因此，本文所开发的试验系统能够形成恒流，并实现恒流状态和恒压状态的相互切换．
5 结 论
( 1) 采用调频调脉宽的联合调压方式，能够实现系统输出电压的连续调节，并克服了调频的调节速度慢和调脉宽的调节范围小的缺点;
( 2) 通过逆变技术，将工频交流变成高频交流，可使电源的纹波电压大大降低，实现输出电压的稳定;
( 3) 所采用的应用交流-直流-交流-直流的方案是可行的，能够实现高稳定度、低纹波系数的直流高压电源的研制．
